La poliimida (a veces abreviada PI ) es un polímero que contiene grupos imida que pertenece a la clase de plásticos de alto rendimiento . Con su alta resistencia al calor, las poliimidas disfrutan de diversas aplicaciones en funciones que exigen materiales orgánicos resistentes, como celdas de combustible de alta temperatura , pantallas y varias funciones militares. Una poliimida clásica es Kapton , que se produce por condensación de dianhídrido piromelítico y 4,4'-oxidianilina . [1]
La primera poliimida fue descubierta en 1908 por Bogart y Renshaw. [2] Descubrieron que el anhídrido ftálico 4-amino no se derrite cuando se calienta, pero sí libera agua al formar una poliimida de alto peso molecular. La primera poliimida semialifática fue preparada por Edward y Robinson mediante fusión de diaminas y tetraácidos o diaminas y diácidos/diéster. [3]
Sin embargo, la primera poliimida de importancia comercial significativa, la Kapton, fue desarrollada en la década de 1950 por trabajadores de DuPont, quienes desarrollaron una ruta exitosa para la síntesis de poliimida de alto peso molecular que involucraba un precursor polimérico soluble. Hasta hoy, esta ruta continúa siendo la ruta principal para la producción de la mayoría de las poliimidas. Las poliimidas se han producido en masa desde 1955. El campo de las poliimidas está cubierto por varios libros extensos [4] [5] [6] y artículos de revisión. [7] [8]
Según la composición de su cadena principal las poliimidas pueden ser:
Según el tipo de interacciones entre las cadenas principales, las poliimidas pueden ser:
Existen varios métodos posibles para preparar poliimidas, entre ellos:
La polimerización de una diamina y un dianhídrido se puede llevar a cabo mediante un método de dos pasos en el que primero se prepara un poli(ácido amidocarboxílico), o directamente mediante un método de un paso. El método de dos pasos es el procedimiento más utilizado para la síntesis de poliimida. Primero se prepara un poli(ácido amidocarboxílico) soluble ( 2 ) que se cicla después de un procesamiento adicional en un segundo paso para obtener la poliimida ( 3 ). Un proceso de dos pasos es necesario porque las poliimidas finales son en la mayoría de los casos infusibles e insolubles debido a su estructura aromática.
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Los dianhídridos utilizados como precursores de estos materiales incluyen el dianhídrido piromelítico, el dianhídrido benzoquinonatetracarboxílico y el dianhídrido naftalenotetracarboxílico . Los bloques de construcción de diaminas comunes incluyen 4,4'-diaminodifenil éter (DAPE), meta-fenilendiamina (MDA) y 3,3'-diaminodifenilmetano. [1] Se han examinado cientos de diaminas y dianhídridos para ajustar las propiedades físicas y especialmente las de procesamiento de estos materiales. Estos materiales tienden a ser insolubles y tienen altas temperaturas de ablandamiento, que surgen de las interacciones de transferencia de carga entre las subunidades planas. [9]
La reacción de imidización se puede seguir mediante espectroscopia IR . El espectro IR se caracteriza durante la reacción por la desaparición de las bandas de absorción del poli(ácido ámico) a 3400 a 2700 cm −1 (estiramiento OH), ~1720 y 1660 (amida C=O) y ~1535 cm −1 (estiramiento CN). Al mismo tiempo, se puede observar la aparición de las bandas de imida características, a ~1780 (C=O asimétrico), ~1720 (C=O simétrico), ~1360 (estiramiento CN) y ~1160 y 745 cm −1 (deformación del anillo de imida). [10] Se han informado análisis detallados de poliimida [11] y poliimida carbonizada [12] y poliimida grafitizada [13] .
Las poliimidas termoendurecibles son conocidas por su estabilidad térmica, buena resistencia química, excelentes propiedades mecánicas y su característico color naranja/amarillo. Las poliimidas compuestas con refuerzos de grafito o fibra de vidrio tienen resistencias a la flexión de hasta 340 MPa (49 000 psi) y módulos de flexión de 21 000 MPa (3 000 000 psi). Las poliimidas de matriz polimérica termoendurecibles exhiben una fluencia muy baja y una alta resistencia a la tracción . Estas propiedades se mantienen durante el uso continuo a temperaturas de hasta 232 °C (450 °F) y para excursiones cortas, tan altas como 704 °C (1299 °F). [14] Las piezas y laminados de poliimida moldeados tienen muy buena resistencia al calor. Las temperaturas de funcionamiento normales para dichas piezas y laminados varían desde criogénicas hasta las que superan los 260 °C (500 °F). Las poliimidas también son inherentemente resistentes a la combustión por llama y normalmente no necesitan mezclarse con retardantes de llama . La mayoría tiene una clasificación UL de VTM-0. Los laminados de poliimida tienen una vida media de resistencia a la flexión a 249 °C (480 °F) de 400 horas.
Las piezas típicas de poliimida no se ven afectadas por los disolventes y aceites de uso común, incluidos los hidrocarburos, ésteres, éteres, alcoholes y freones . También resisten a los ácidos débiles, pero no se recomienda su uso en entornos que contengan álcalis o ácidos inorgánicos. Algunas poliimidas, como CP1 y CORIN XLS, son solubles en disolventes y presentan una alta claridad óptica. Las propiedades de solubilidad las hacen adecuadas para aplicaciones de curado por pulverización y a baja temperatura.
Los materiales de poliimida son ligeros, flexibles, resistentes al calor y a los productos químicos. Por ello, se utilizan en la industria electrónica para cables flexibles y como película aislante sobre alambre magnético . Por ejemplo, en una computadora portátil, el cable que conecta la placa lógica principal a la pantalla (que debe flexionarse cada vez que se abre o se cierra la computadora portátil) suele ser una base de poliimida con conductores de cobre. Algunos ejemplos de películas de poliimida son Apical, Kapton , UPILEX , VTEC PI, Norton TH y Kaptrex.
La poliimida se utiliza para recubrir fibras ópticas para aplicaciones médicas o de alta temperatura. [15]
Un uso adicional de la resina de poliimida es como capa aislante y pasivante [16] en la fabricación de circuitos integrados y chips MEMS . Las capas de poliimida tienen buena elongación mecánica y resistencia a la tracción, lo que también ayuda a la adhesión entre las capas de poliimida o entre la capa de poliimida y la capa de metal depositada. La interacción mínima entre la película de oro y la película de poliimida, junto con la estabilidad a alta temperatura de la película de poliimida, da como resultado un sistema que proporciona un aislamiento confiable cuando se somete a varios tipos de tensiones ambientales. [17] [18] La poliimida también se utiliza como sustrato para antenas de teléfonos celulares. [19]
El aislamiento multicapa que se utiliza en las naves espaciales suele estar hecho de poliimida recubierta de capas finas de aluminio , plata, oro o germanio. El material de color dorado que se suele ver en el exterior de las naves espaciales suele ser, en realidad, poliimida aluminizada simple, con la capa única de aluminio hacia adentro. [20] La poliimida de color marrón amarillento le da a la superficie su color dorado.
El polvo de poliimida se puede utilizar para producir piezas y formas mediante tecnologías de sinterización (moldeo por compresión en caliente, conformado directo y prensado isostático). Debido a su alta estabilidad mecánica incluso a temperaturas elevadas, se utilizan como casquillos, cojinetes, casquillos o piezas constructivas en aplicaciones exigentes. Para mejorar las propiedades tribológicas , son comunes los compuestos con lubricantes sólidos como grafito , PTFE o sulfuro de molibdeno . Las piezas y formas de poliimida incluyen P84 NT, VTEC PI, Meldin, Vespel y Plavis.
En las centrales eléctricas de carbón, las incineradoras de residuos o las cementeras se utilizan fibras de poliimida para filtrar los gases calientes. En esta aplicación, un fieltro punzonado de poliimida separa el polvo y las partículas de los gases de escape .
La poliimida también es el material más común utilizado para la película osmótica inversa en la purificación del agua o la concentración de materiales diluidos del agua, como la producción de jarabe de arce. [21] [22]
La poliimida se utiliza como núcleo de placas de circuitos flexibles y cables planos y flexibles. Las placas de circuitos flexibles son delgadas y se pueden colocar en dispositivos electrónicos con formas irregulares. [23]
La poliimida se utiliza para tubos médicos, por ejemplo, catéteres vasculares , por su resistencia a la presión de rotura combinada con flexibilidad y resistencia química.
La industria de semiconductores utiliza poliimida como adhesivo de alta temperatura ; también se utiliza como amortiguador de tensiones mecánicas.
Algunas poliimidas se pueden utilizar como fotorresistencia ; en el mercado existen poliimidas de tipo fotorresistencia tanto "positivas" como "negativas".
La nave espacial de navegación solar IKAROS utiliza velas de resina de poliimida para funcionar sin motores de cohete. [24]
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